紫色土丘陵坡地5種土地利用方式土壤腐殖物質特征比較

楊滿元， 楊 寧

(湖南環境生物職業技術學院園林學院， 湖南 衡陽 421005)

HS是土壤有機質(Soil organic matter,SOM)在土壤中形成的一系列黑色或棕黑色的非晶形準高分子有機化合物[1-2]，占SOM 80%左右，在土壤質量演變和碳循環中起著十分重要的作用[3-4]。HS總碳按不同的酸堿提取過程可分為HA-C(只溶于堿不溶于酸)、FA-C(既溶于酸又溶于堿)和Hu-C(酸堿都不溶)3個組分[5]。HS因富含植物所需的營養元素，可使植物健康生長；HS可促進土壤團聚體形成，藉以改善土壤的緩沖性與通透性，有利于土壤養分和水分的保蓄[6-7]；HS顏色較深，可吸收更多太陽幅射熱，有利于植物早生快發；HS不僅能改善土壤肥力，同時還是截獲CO2的重要載體，對土壤肥力和環境保護具有重要功能[8]。

湖南省衡陽紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是湖南省生態環境較為惡劣的地區之一，也是中國南方極具代表性的生態災害易發區，該區域水土流失嚴重，植被稀疏，基巖裸露，區域中有的地方幾乎沒有土壤發育層，生態環境十分惡劣，植被恢復十分困難，該區域植被恢復是一項長期、艱巨的工程。為改善區域環境，長期以來，實施植被恢復取得了良好生態效果，但以往的研究多集中于土壤理化性質、土壤種子庫以及植被恢復模式等方面[9-11]，針對該區域不同土地利用方式土壤HS特征研究較少。為此本文以該區域5種典型土地利用方式土壤為研究對象，對比分析其土壤HS各組分數量和性質，闡明其與土壤理化性質的關系，為該區域土壤培肥機理及調控肥力提供理論依據，以便更好地指導該區域植被恢復和生態重建。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

衡陽紫色土丘陵坡地(110°32′16″～113°16′32″ E，26°07′05″～27°28′24″ N)位于湖南省中南部，湘江中游，地貌以丘崗為主，紫色土呈網狀分布于海拔60～200 m地帶；屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫18℃；極端最高溫40.5℃，極端最低溫-7.9℃，年均降雨量1 325 mm，蒸發量1 426.5 mm，相對濕度80%，全年無霜期286 d左右。在研究區選取土地利用年限相同(均為20 年)，坡向，坡度，海拔及裸巖率等生態因子基本相似的NG，TG，FG，FX和AF 5種土地利用方式的樣地，各土地利用方式面積大于1 hm2。5種土地利用方式的樣地20 年前草本植物以狗尾草(Setariaviridis)、狗牙根(Cynodondactylon)和馬鞭草(Verbenaofficinalis)為主，灌木以牡荊(Vitexnegundo var．cannabifolia)、剌槐(Robiniapseudoacacia)、紫薇(Lagerstroemiaindica)和苦楝(Meliaazedarach)居多，喬木主要以天然次生林楓香(Liquidamdarformosana)、人工林杉木(Cunninghamialanceolata)為主。研究區的森林覆蓋率19.4%；土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)分別為0.15 g·kg-1，0.19 g·kg-1，0.18 g·kg-1，35.53 g·kg-1左右，堿解氮(AN)、速效磷(AP)、有效鉀(AK)分別約為35.72 mg·kg-1，12.58 mg·kg-1，252.47 mg·kg-1，土壤pH值約8.54，20年間均無農業施肥等人為干擾。各土地利用方式樣地的基本概況見表1。

表1 不同土地利用方式下樣地的基本概況Table 1 The basic condition of sampling sites under different land use types

1.2 測定指標及方法

2019年4月上旬，在不同土地利用方式中布設樣地，每塊樣地隨機設置面積1 m×1 m的樣方3個，各樣方分別取0～20 cm與20～40 cm土層土壤進行混合(每層混合土壤樣品大于1 000 g)，樣品帶回實驗室經自然風干后，挑出枯枝落葉、侵入體和石礫等，磨細，過篩(100目)，備用。

腐殖質總碳(T-C)用K2Cr2O7-H2SO4消化法測定；HS組成中，腐殖酸總碳[(HA+FA)-C]采用 0.1 mol·L-1Na4P2O7和0.1 mol·L-1NaOH浸提劑提取[12]，即在180 r·min振蕩器放置300 mL錐形瓶(已加入5 g風干土及100 mL浸提液)，加塞振蕩 5 min，再沸水煮 60 min，過濾取部分濾液得[(HA+FA)-C]；另取部分濾液，H2SO4酸化使HA沉淀，分離FA，再用0.1 mol·L-1NaOH溶解，測定HA碳(HA-C)含量；FA碳(FA-C)和Hu碳(Hu-C)含量通過差減法得到，即(FA-C)=[(HA+FA)-C] -(HA-C)，(Hu-C)=(T-C) -[(HA+FA)-C]，從而求出(HA-C)/(FA-C)值[13-14]。

土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)采用K2Cr2O7氧化-外加熱法；堿解氮(Alkali-hydrolyzable nitrogen,AN)測定采用擴散吸收法；速效磷(Available phosphorus,AP)測定采用NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法，有效鉀(Available potassium,AK)采用NH4Ac浸提-原子吸收法，土壤pH值采用電極電位法測定[15]。

1.3 數據分析

采用SPSS 13.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異(LSD)比較不同數據間差異(α=0.05)，用Pearson相關系數評價不同因子間相互關系，表中的所有數據均為3次重復的平均值±標準方差。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式的土壤理化性質

不同土地利用方式土壤理化性質不同(表2)。在0～20 cm與20～40 cm土層，SOC含量的大小順序為灌草地>人工草地>灌叢地與喬灌地>天然草地，且差異顯著(P<0.05)；AN，AP含量以人工草地與灌草地最高，天然草地最低，且差異顯著(P<0.05)；天然草地土壤pH值顯著高于人工草地等4種土地利用方式土壤pH值(P<0.05)。天然草地0～20 cm與20～40 cm土層SOC，AN，AP含量無顯著差異，而人工草地等4種土地利用方式0～20 cm土層的SOC，AN，AP含量均顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)。

表2 不同土地利用方式的土壤理化性質Table 2 Soil physico-chemical properties under different land use types

2.2 不同土地利用方式對土壤腐殖質組成的影響

從表3可知，土層相同，HS的大小順序為灌草地>人工草地>灌叢地與喬灌地>天然草地(P<0.05)；除天然草地外，人工草地等4種土地利用方式0～20 cm土層HS含量均顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)。由于植物的根系主要集中于0～20 cm土層，根據我國土壤肥力標準(HS<10 g·kg-1，肥力低；10～25 g·kg-1，肥力中等；HS>25 g·kg-1，肥力高)[6]，天然草地土壤肥力偏低，人工草地等4種土地利用方式土壤肥力均屬中等，最高為灌草地，HS含量僅23.58 g·kg-1。

表3 不同土地利用方式的土壤腐殖質組成Table 3 Composition of HS under different land use types

在0～20 cm與20～40 cm土層，不同土地利用方式HA-C含量的大小順序為灌草地>人工草地>灌叢地與喬灌地>天然草地(P<0.05)；人工草地、灌草地的FA-C，Hu-C含量與(HA-C)/(FA-C)較高，灌叢地與喬灌地次之，天然草地最低，且差異顯著(P<0.05)。除天然草地的0～20與20～40 cm土層Hu-C含量與(HA-C)/(FA-C)差異不顯著外，人工草地等4種土地利用方式0～20 cm土層HA-C，FA-C，Hu-C與(HA-C)/(FA-C)值均顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)。

腐殖質碳組成可作為判斷土壤腐殖質復雜程度指標，土壤腐殖質碳各組分含量直接決定土壤肥力[16]。在5種土地利用方式中，0～20 cm與20～40 cm土層Hu-C含量分別為2.40～7.78 g·kg-1與2.39～4.80 g·kg-1，分別占腐殖質總碳的59.26%～63.48%，56.60%～63.06%；FA-C含量分別為1.33～2.63 g·kg-1與1.13～2.04 g·kg-1，分別占20.16%～32.84%，22.84%～29.82%；HA-C分別為0.32～2.50 g·kg-1與0.27～1.63 g·kg-1，分別占7.90%～19.36%，7.12%～19.27%。

2.3 土壤腐殖質組分與土壤理化性質的關系

研究表明(表4)，HS，HA-C，FA-C，Hu-C，SOC，AN與AP兩兩之間呈顯著或極顯著正相關關系(P<0.05或P<0.01，r=0.42～0.94)，表明HS，HA-C，FA-C，Hu-C，SOC，AN，AP之間關系密切；pH值與HS，HA-C，FA-C，Hu-C，SOC，AN，AP呈顯著負相關關系(P<0.05，r=-0.50～-0.45)，表明土壤酸度與他們密切相關；由于5種土地利用方式0～20 cm與20～40 cm土層有效鉀(AK)含量差異不明顯，僅5.90 mg·kg-1，所以AK與SOC，AN，AP，pH值，HS及各組分相關性不明顯。

表4 土壤腐殖質組分與土壤理化性質的相關系數矩陣Table 4 The correlation coefficient (r) among humus fractions and soil physico-chemical properties

3 討論

土壤氮素水平與SOC消長規律基本一致，在一定程度上決定SOC積累與分解以及土壤碳的固持[17-18]。本研究分析發現AN與HS，HA-C，FA-C，Hu-C，SOC均呈極顯著正相關關系(P<0.05)，說明隨著土壤氮素含量的增加，SOC等顯著增加，HS質量明顯改善。灌草地與人工草地優勢植物為紫穗槐，白花草木樨，豬屎豆。紫穗槐是灌木類豆科植物，植株較低，枝葉密度高，蓋度較大，容易導致由風力引起的枯枝落葉和其他物質在灌層下聚集，白花草木樨與豬屎豆為草本類豆科植物，固氮能力強，夏季高溫后干枯，歸還到土壤中的凋落物較多，增加土壤氮素及碳含量，對HS的形成與累積有促進作用[19-20]；天然草地常年為稀疏雜草覆蓋，水土流失嚴重，礦化，硝化，反硝化作用以及氨揮發等生物化學過程加快，有機質腐殖化過程緩慢，HS難以大量累積[21-22]。

本研究發現土壤pH值與SOC，AN，AP，HS及各組分呈顯著負相關關系(P<0.05)，天然草地的SOC，AN，AP，HS及各組分顯著低于人工草地等4種土地利用方式，可能是由于天然草地的土壤pH值呈堿性，有利于SOC礦質化，不利于SOC腐質化，進而導致其土壤肥力下降[3，23]。

天然草地0～20與20～40 cm土層SOC，AN，AP，HS含量差異較小，人工草地等4種土地利用方式0～20 cm土層顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)，土壤垂直分布特征與土地利用和植物根系分布密切相關，天然草地為稀疏植被覆蓋，土壤表層凋落物與土壤植物根系均很少，所以SOC等的剖面分布差異較小，而人工草地等4種土地利用方式土壤表層凋落物與土壤植物根系均相對較多，SOC等從表層向下降低的特征[24]。

HA-C是HS重要組成部分，其含量及特性在一定程度上反映HS類型及性質，一般認為，HA-C占土壤腐殖質總碳比例越高，腐殖酸品質越好[25-26]。劉育紅等[27]認為在不同草甸植被下HA-C占土壤腐殖質總碳的47.99%～56.98%；楊繼松等[17]發現三江平原典型濕地泥炭層HA-C占土壤腐殖質總碳比例高于35%。本研究表明，衡陽紫色土丘陵坡地5種土地利用方式在0～20 cm與20～40 cm土層HA-C占土壤腐殖質總碳的比例為7.90%～19.36%，7.12%～19.27%，由此可見，衡陽紫色土丘陵坡地土壤腐殖酸品質較差，土層越深，品質越差。

進一步分析表明，5種土地利用方式不同土層(HA-C)/(FA-C)均小于1，說明衡陽紫色土屬于富啡酸型土壤[28]。HS形成過程中，植物凋落物等輸入土壤先形成芳構化、縮合程度較高以及分子量較大的HA-C，然后在微生物作用下分裂成結構相對簡單、分子量較小的FA-C，最后礦化成CO2，因此，(HA-C)/(FA-C)比值在一定程度上可以反映土壤有機質穩定性，值越大，HS聚合程度越高，穩定性越好，肥力越高[26]。天然草地植被蓋度低(僅45%)，凋落物少，同化產物礦化強烈，HS形成的HA-C相對較少，多集中于FA-C合成階段，因此，天然草地的(HA-C)/(FA-C)最低；相關研究表明[27，29]，溫度越低，越不利于HA-C芳化度增大，結構簡單，活性較強的FA-C很難進一步縮合形成HA-C。紫色土顏色深，0～20 cm土層土壤吸收更多太陽幅射能，土壤溫度高于20～40 cm土層，0～20 cm土層FA-C縮合形成HA-C的能力比20～40 cm土層強，隨土層加深，(HA-C)/(FA-C)降低。

4 結論

不同土地利用方式影響著土壤理化性質及土壤腐殖物質形成和轉化過程，不同土地利用方式的土壤有機碳、堿解氮、速效磷、土壤pH值及土壤腐殖物質組成不同。通過對衡陽紫色土不同土地利用方式土壤腐殖物質特征進行研究表明，天然草地土壤腐殖物質組分含量最低，土壤理化性質最差，而人工草地、灌草地的土壤腐殖物質組分含量較高，土壤理化性質較好，建議將天然草地開發利用為人工草地(白花草木樨-豬屎豆)與灌草地(紫穗槐+白花草木樨)土地利用方式，以提高土壤肥力，有利于區域的植被恢復與生態重建。